H13鋼は、現在最も広く使用されている熱間加工用ダイス鋼です。高温強度と硬度が高いため、中温条件下で良好な靭性、熱疲労性能、一定の耐摩耗性を有し、溶融金属の腐食に耐えることができる。ダイカスト金型によく使用される。
使用中、ダイカスト金型は高温の溶湯の衝撃や圧縮応力に耐えなければならず、脱型時のダイカスト金属の圧縮によって発生する引張応力にも耐えなければならない。応力状況はより複雑で、使用過程では熱亀裂や、脆性破壊、腐食、侵食による全体的な故障が発生することが多い。
ダイカスト金型の不具合を引き起こす要因は多岐にわたる。故障の原因を正しく特定することは難しい。また、国内メーカーのH13鋼は品質にばらつきがあり、熱処理工程も合理的ではありません。そのため、ダイカスト金型の故障解析は非常に難しい。
ある冶金工場はH13鋼のアルミ合金ダイカスト金型を使用し、100個以上の製品を試作した。その金型が使用時間1日足らずで全部破損し、工場に経済的損失をもたらした。H13鋼ダイカスト金型の故障の原因を探るため、筆者は故障解析を実施した。
組織の欠陥
ダイブランク鋼の焼鈍組織には、明らかなバンド偏析欠陥が存在する。帯状偏析は一種の化学組成偏析である。鋼塊を鍛造圧延すると、凝固過程で形成された樹枝状偏析が圧延され、伸長して偏析帯を形成する。焼鈍中に炭化物が偏析帯に沿って析出し、密度の異なる帯状になる。偏析。バンド偏析はH13鋼の偏析の程度を測定する最も単純で重要な指標である。これは鋼塊組織中の合金元素とデンドライトの偏析、および熱間加工プロセスが適切かどうかを反映することができる。これは鋼の横衝撃靭性に大きな影響を与えます。そのため、NADCA#2007-2003規格では、H13鋼の焼鈍組織とバンド偏析の許容レベルを明確に規定しています。バンド偏析は焼入れ後の組織と特性に大きな影響を与えます。焼入れ後、炭素の少ない領域では低炭素マルテンサイト組織が形成され、炭素の多い領域では高炭素クリプトンマルテンサイト組織が形成され、最終的に継承されます。焼戻し状態。故障したダイス鋼のバンド偏析は深刻で、組織は非常に不均一であるため、ダイスの横靭性に深刻な影響を及ぼす。
偏析帯の非金属介在物と液化炭化物。インゴットの再加熱と拡散により、元素偏析を低減することが可能であるが、H13鋼の場合、偏析を完全に除去することは困難であり、一旦偏析帯に偏析が発生すると、多数の非金属介在物や液化炭化物が鋼の横衝撃靭性をさらに低下させることが研究により指摘されている。これは、NADCA#2007-2003の帯状偏析レベルが適格か否かを区別する重要な根拠でもある。試験結果によると、ダイス鋼の純度は低く、偏析帯には多くの非金属介在物が含まれている。その中でも、DS Al 2 O 3 大粒子介在物は2.0レベルに達しており、マトリックスの連続性を著しく損なっている。外力が作用すると、亀裂が容易に形成される。鋼材の強度は介在物の増加とともに低下し、介在物の大きさが大きいほど靭性への影響が大きくなる。液化炭化物は、H13鋼塊中の粗大かつ連続したブロックであり、鍛造後に破断し、鍛造方向に沿って鎖状に分布する。従来の熱処理工程は、液状化炭化物の分布や形態に基本的に影響を与えない。従って、液化炭化物の鎖状の分布は、焼戻し組織の帯状領域で依然として見ることができる。介在物と同様に、液化炭化物もそれ自身の破壊やマトリックス界面からの剥離により、鋼の脆性を増大させる可能性がある。さらに、局部的に鋭角な鎖状の炭化物は、応力集中やマイクロクラックを引き起こしやすい。非金属介在物や液化炭化物の集中分布は、一方では鋼の横靭性に深刻な影響を与え、他方では使用中に亀裂源を形成しやすい。
金型の硬度が高すぎる
硬度試験結果から、不合格金型の硬度はNADCA#2007-2003の推奨硬度範囲より高く、分布は不均一であることがわかる。H13鋼の焼入れ・焼戻し曲線によると、焼入れ温度が高すぎたり、焼戻し温度が低すぎたりするとH13鋼の硬度が高くなり、焼戻しが不十分だと鋳型の硬度分布が不均一になることがわかります。熱処理工程での不適切な操作や炉の温度管理により、焼入れ・焼戻し後の金型の硬度が高くなることがあり、これが金型の衝撃靭性にさらに影響し、最終的に組織が不安定な状態になり、内部応力が過剰に残留する。大きく、外力が作用すると割れやすく、金型の早期破損を引き起こす。
失敗のプロセス
ダイカスト金型は使用中、高温の溶湯による衝撃や圧縮応力、脱型時のダイカスト金属の圧縮により発生する引張応力などに耐えなければならず、使用環境は比較的過酷である。試験結果から、表面の亀裂発生源近傍に多数の介在物や液化炭化物が集中していることがわかる。介在物や液化炭化物の弾性率、塑性率、熱膨張率にはマトリックスとの差がある。熱応力や機械力が繰り返し加わると、介在物や液化炭化物の周囲に応力集中が生じやすくなり、やがてマイクロクラックが発生する。ダイス鋼は靭性が低いため、マイクロクラックが発生すると、クラックの伝播を防ぐだけの靭性が得られない。応力が破壊強度を超えると、クラックがダイスを貫通しやすくなり、ダイスが割れてスクラップになる。このことから、ダイス鋼中の非金属介在物や液状析出炭化物がダイス表面に初期微小き裂を発生させ、ダイス鋼の靭性が極端に低いため、き裂が急速に進展し、ダイス割れの重要な原因となったと判断できる。
改善策
上記の分析によると、H13鋼とその熱処理プロセスについて、以下の改善がなされた：
